金屬材料工業(yè)縫紉機牙架

1、金屬材料工程課程設計目錄摘要21.工業(yè)縫紉機牙架服役條件22.工業(yè)縫紉機牙架零件材料選取33.零件加工工藝路線53.1零件機加工工藝基準的選擇53.2熱處理工序63.3零件加工工藝路線的制訂64.熱加工過程及分析64.1牙架零件熱處理工藝分析74.2對原熱處理工藝改進后的熱處理工藝如下105.性能檢測方法及分析125.1零件外觀尺寸檢測125.2力學性能檢測125.3成分組織及檢驗155.4滲碳層深度的測定166.結論或建議17參考文獻17摘要本文就工業(yè)縫紉機的牙架從選材，加工工藝流程、熱處理工藝作出分析，針對熱處理引起該零件變形制訂熱處理工藝流程，零件表面硬度、硬化層深度、變形量、金相組織得

2、到改善，很好的解決了零件變形這個問題。關鍵詞 20Cr 熱處理變形 碳氮共滲 淬火 回火1. 工業(yè)縫紉機牙架服役條件工業(yè)縫紉機牙架結構圖如下（圖1）【1】，零件實際的服役條件和失效方式是比較復雜的，為了使材料的機械性能更好地滿足零件工作要求，必須了解零件的服役條件和失效形式及其相關性能指標。AA圖1工業(yè)縫紉機牙架結構圖由于該零件在服役狀態(tài)承受快速運動的接觸應力，需具有高的耐磨性，同時該零件系精密裝配件，要求有較高的尺寸精度。為此零件要求距表面0.4mm范圍硬度為HRC55，但心部硬度不高于HRC40。此外還要求熱處理后牙架兩側平面翹曲變形量0.1mm，叉口間平行度及脹縮量均0.1mm，零件表面

3、粗糙度不大于2.5。2.工業(yè)縫紉機牙架零件材料選取根據(jù)服役條件可知，工業(yè)縫紉機牙架材料應保證高耐磨性，根據(jù)要求本文對以下機械零件用鋼15Cr、20鋼、20Cr作成分和性能對比，根據(jù)零件參數(shù)要求從中選擇最合適的材料。15Cr、20鋼、20Cr的成分含量比較（表1），15Cr【2】、20鋼、20Cr【2】力學性能比較（表2）：表1 15Cr、20鋼、20Cr鋼的成分含量（w%）化學成分CSiMnCrSPNiCu15Cr0.14-0.170.17-0.370.4-0.70.7-0.960.0350.0350.030.0320鋼0.17-0.240.17-0.370.35-0.650.250.0350

4、.0350.250.2520Cr0.17-0.240.17-0.370.5-0.80.82-1.140.0350.0350.030.03力學性能抗拉強度 b (MPa)屈服強度 s (MPa)伸長率 s()斷面收縮率 ()沖擊功 Akv (J)沖擊韌性值 kv (J/cm2)15Cr7354901145556920鋼410245255520Cr83554010404759表2 15Cr、20鋼、20Cr的力學性能表相對于15Cr，20Cr有較高的強度及淬透性；臨界淬透直徑；油中約為1520 mm ，水中約為1140mm 韌性較差，滲碳時有晶粒長大傾向，降溫直接淬火，對沖擊韌性影響較大，所以需二

5、次淬火以提高心部的韌性，無回火脆性傾向；鋼的冷變形塑性高，可在泠態(tài)下拉絲，可切削性在高溫正火或調質狀態(tài)下良好，但退火后較差，焊接性能較好，焊后一般不需熱處理，但對厚度15mm的零件，焊前應預熱到 100150 。所以20Cr鋼大都用作滲碳鋼，適用于制造心部強度要求較高，表面承受摩擦，截面尺寸在 30mm 以下或形狀復雜而載荷不大的滲碳件（油淬），如機床變速箱齒輪，齒輪軸，凸輪，蝸桿，活塞銷，爪形離合器等，對要求熱處理變形小和高耐磨性的零件，滲碳后可進行高頻表面淬火，也可在調質狀態(tài)下使用，用于制造工作速度較大并承受中等沖擊載荷的零件【2】。從某種意義上講，20Cr鋼實際就是在20鋼鋼的基礎上加入

6、一定量的Cr而形成的一種合金鋼。20Cr鋼由于在20鋼碳素鋼的基礎上加入了0.70% 1.00%的Cr，不僅對Fe -C平衡相圖中相變點由所改變。顯微組織的變化，必將帶來力學性能的變化。與20鋼相比，其強度和淬透性有明顯提高，經(jīng)淬火及低溫回火后有良好的綜合力學性能，低溫沖擊韌性良好，回火脆性不明顯，該鋼滲碳時有晶粒長大傾向，因此要求滲碳后應進行二次淬火以保證心部的韌性【3】。20Cr是一種常見的合金結構鋼。對于滲碳鋼而言，它又屬于常見的低淬透性滲碳鋼。 綜合以上分析考慮，工業(yè)縫紉機牙架屬長薄板型復雜零件，材料選用20Cr鋼。3.零件加工工藝路線零件加工工藝路線包括機加工工藝路線和熱處理工藝路線

7、。工業(yè)縫紉機牙架首先用20Cr鋼，經(jīng)澆鑄成型，是長薄板型鑄件。3.1零件機加工工藝基準的選擇在鑄件機加工過程中正確選取工藝基準的方法很重要，基準是用來確定生產(chǎn)對象的幾何要素之間的幾何關系所依據(jù)的那些點、線、面。從設計與工藝兩個方面看基準，可以把基準分為設計基準和工藝基準兩大類。工藝基準又分為工序基準、定位基準、測量基準和裝配基準。其中工序基準與定位基準選擇的合適與否。對鑄件最終能否加工成為合格品至關重要。工序基準的選擇原則包括3個方面：應首先考慮與設計基準、鑄造基準一致；方便鑄件的定位與檢查；當采用設計基準與鑄造基準為工藝基準有困難時；可另選工藝基準，但必須可靠地保證零件設計尺寸要求。定位基準

8、是獲得零件尺寸的直接基準，占有很重要的地位，定位基準又可分為粗定位基準和精定位基準。選擇粗定位基準時，必須保證定位準確，裝夾可靠。要求選用的粗定位基準盡可能平整、光潔和有足夠大的尺寸。通常鑄件毛坯結構形式復雜，標注尺寸多，很多尺寸互相關聯(lián)。工件加工成成品后，將出現(xiàn)3種類型的尺寸：非加工面到加工面的尺寸；加工面到非加工面的尺寸；加工面到加工面的尺寸。各種類型的尺寸，分別有相應的尺寸公差標準要求。鑄件最后加工成成品后，每一個尺寸必須滿足圖樣技術要求及需要的尺寸公差等級要求【4】。3.2熱處理工序 鑄件毛坯在粗車前應根據(jù)材質和技術要求安排正火火退火處理，以消除應力，改善組織和切削性能。性能要求較高的

9、毛坯在粗加工后、精加工前應安排調質處理，以提高零件的綜合機械性能；對于硬度和耐磨性要求不高的零件，調質也常作為最終熱處理。相對運動的表面需在精加工前或后進行表面淬火處理或進行化學熱處理，以提高其耐磨性。3.3零件加工工藝路線的制訂下料鑄造成坯預備熱處理（去應力退火）機加工（以圖1左側為基準粗加工精加工）碳氮共滲處理淬火（油淬）回火檢驗成品（合格）4.熱加工過程及分析熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看

10、到的。 為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。該零件表面要求有很高硬度而心部又要求有韌性的零件，其熱處理工藝采用滲碳淬火回火，因此熱處理質量的好壞直接影響其使用壽命，因此熱處理工藝的制訂是很重要的。工業(yè)縫紉機牙架屬板型復雜零件，采用20Cr鑄鋼澆注成型，然后機加工到規(guī)定尺寸。而鑄件一般都存在鑄造應力。鑄造應力消除得充分與否，對后續(xù)的熱處理變形有明顯影響。如果熱處理工藝對零件應力處理不好，就會引起零件變形，所以在原熱處理工藝進行改進。思路如下：4.1牙架零件熱處理工藝分析4.1.1鑄造應力與鑄態(tài)組織 【1】鑄件一般都存在

11、鑄造應力。鑄造應力消除得充分與否，對后續(xù)的熱處理變形有明顯影響。鑄態(tài)的粗大晶粒及網(wǎng)狀組織對淬火變形也有不利影響。根據(jù)霍爾派奇關系式:s=1+kd-1/2s材料的屈服強度d晶粒平均直徑k、1與材料有關的兩個常數(shù)可見，晶粒愈粗大，屈服強度愈小，即抵抗變形的抗力愈小，則零件淬火后愈易變形。由于前述原因，要減小鑄件的熱處理變形，必須首先對鑄件施以合適的預處理措施，消除鑄造應力與細化鑄態(tài)組織。4.1.2預先熱處理（退火）和最終熱處理去應力退火-這種退火主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘余應力。對于牙架屬長薄板型復雜零件，合適的預處理對控制其熱處理變形是至關重要的。牙架的原生產(chǎn)工藝采用正

12、火預先熱處理，由于牙架的尺寸較小正火冷卻速度較快，冷卻中會產(chǎn)生新的應力，因此應以去應力退火處理代替正火處理。實踐表明，牙架退火爐冷到500以下，出爐后繼續(xù)用料筐垂直吊掛空冷的效果較好。滲碳溫度與淬火加熱溫度愈高，淬火后零件的變形就愈大。經(jīng)過反復試驗，擬用中溫碳氮共滲工藝代替滲碳并降低淬火溫度，收到了顯著的效果【1】。4.1.3淬火淬火將鋼加熱到Ac3或Ac1以上，保溫一定時間使其奧氏體化，再以大于臨界冷卻速度快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體轉變的熱處理工藝【5】。是為了提高硬度采取的方法，主要形式是通過加熱、保溫、速冷。表面淬火是對工件表層進行淬火的工藝。它是將工件表面進行快速加熱，使其奧氏體化并快速

13、冷卻獲得馬氏體組織，而心部仍保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調質狀態(tài)的組織。表面淬火后需進行低溫回火，以減少淬火應力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面層的硬度和耐磨性，達到外硬內韌的效果，并可造成表面層壓應力狀態(tài)，提高疲勞強度，延長工件的使用壽命。本文中牙架零件選用就是表面淬火，所以時間較短。最常用的冷卻介質是鹽水，水和油。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點，但卻易使工件變形嚴重，甚至發(fā)生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩(wěn)定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火【1】。淬火油需要具備以下基本性能： 具有較好的破膜能力，以改善淬火冷卻的均

14、勻性( 即較高的特性溫度) ；足夠的冷卻能力，以保證有效硬化層的要求；較低的低溫冷速，減小組織應力，利于控制畸變； 科學合理的冷卻分布，有效的控制淬火工件的應力分布【6】。淬火加熱溫度與冷卻介質的溫度之差愈大，冷卻介質的冷卻能力愈強，淬火后零件的熱應力與組織應力也愈大，工件變形就大?；诖它c，我們采取了提高淬火介質溫度的辦法，采用120140熱油淬火。 合理的裝爐方法與正確的淬火入油冷卻方式對控制牙架的熱處理變形是至關重要的。所以牙架裝爐應當采用特制的吊具，使每件牙架在爐內都能處于垂直自由吊掛狀態(tài)，互不碰壓，淬火時，將牙架與吊具一起非常細心地從爐內自然垂直吊出，不能碰爐壁，零件間也不能互相磕碰

15、，急速垂直入油并在油槽內懸吊冷卻。淬火后獲得具有晶粒邊界效應的+M雙相纖維狀復合組織，在單軸拉伸條件下，其強度遵循兩相混合物定律，隨M含量增高而增高，延伸率隨M含量增加而降低。在+M雙相復合組織中，和M兩相硬度差較大，M顯微硬度為306HV，鐵素體顯微硬度153HV，硬度相差一倍。變形時，受M強烈拘束作用，其裂紋首先通過解理斷裂而形成，隨后以理解斷裂方式通過，裂紋通過M時表現(xiàn)為準解理韌性斷裂。解理斷裂應力與馬氏體島及鐵素體的平均自同由程度有關，細化鐵素體晶粒及馬氏體島的直徑均可提高解理斷裂應力，從而增加試樣的沖擊韌性【7】。4.1.4碳氮共滲處理 碳氮共滲處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素

16、的介質(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。碳氮共滲可以顯著提高零件的彎曲疲勞強度，提高幅度高于滲碳。這是由于當殘余奧氏體量相同時，含氮馬氏體的比容大于不含氮的馬氏體，共滲層的壓應力大于滲碳層。還有人認為，由于細小的馬氏體與奧氏體均勻混合，使得硬化層的微觀變形均勻化，可以有效防止疲勞裂紋的形成與擴展。 碳氮共滲中化合物的相結構與共滲溫度有關，800以上，基本上是含氮的滲碳體Fe3（C、N）；800以下由含氮滲碳體Fe3（C、N）、含碳相Fe23（C、N）及相組成?；衔锏臄?shù)量與分布決定于碳氮濃度及鋼材成分【8】。實踐證明，牙架的滲碳層深度在技術要求的

17、偏上限時，淬火后翹曲變形量增大，韌性較差，整形時極易斷裂。嚴格控制牙架的滲層深度0.350.45mm范圍內，牙架的變形小且易于整形，在校正過程中，即使過量敲擊也不發(fā)生斷裂，效果較好。4.1.5回火在牙架淬火處理后，立即回火處理。如此可以消除或減少淬火產(chǎn)生的內應力。牙架零件淬火后存在很大內應力和脆性，如不及時回火可能會會發(fā)生變形甚至開裂。 可以調整 牙架零件的機械性能，經(jīng)淬火后零件硬度高而脆性大，為了滿足力學性能的要求，可以通過適當回火的配合來調整硬度，減小脆性，得到所需要的韌性，塑性。同時也可以穩(wěn)定工件尺寸。 4.2對原熱處理工藝改進后的熱處理工藝如下退火機加工（到規(guī)定尺寸）碳氮共滲處理淬火（

18、油淬）回火1）空爐升溫至700，放入零件，通入1號滲劑。升溫至820， 通入2號滲劑，50min。2）淬火時的溫度應該保持在800±5 。3）淬火過程中應該保溫10min，油淬，空冷至室溫。4）回火時溫度應該保持在180±l0 。5）回火時應該保溫3 h，空冷至室溫。零件澆鑄成型后進行退火處理，退火工藝曲線如（圖2）a所示。然后經(jīng)機加工到規(guī)定尺寸，進行碳氮共滲處理，中溫碳氮共滲工藝曲線見下圖（如圖2b）【1】。圖2a 牙架退火工藝曲線圖2 b牙架碳氮共滲工藝曲線A為1號滲劑B為2號滲劑滴量單位d/min(如圖180、150、40的單位)碳氮共滲在RJJ一35一9爐中進行。零

19、件入爐前進行清洗除油，空爐升溫至700時，零件與掛具一起自由垂直吊掛爐中，并立即通入乙醇與含氮有機物組成的1號滲劑并排氣；爐溫升至820時，滴入煤油與催滲劑組成的2號滲劑，到共滲溫度后排氣30min查看碳、氮勢，調整滴量使爐氣處于合適狀態(tài)。共滲50min后，檢查隨爐試片，測量滲層深度。滲層深度達0.4mm時，降溫至800出爐。出爐操作需仔細，特別要防止零件互相掛碰及與其它物體相碰等。將零件垂直從爐內吊出，立即快速垂直入油，懸吊在油槽中；油溫控制在120140左右，10min后提出空冷至室溫，然后轉入180回火油槽中掛吊回火3h。經(jīng)上述工藝處理后，牙架表面硬度為HRC 5660，平面翹曲變形量0

20、.1mm；叉口部位平行度及脹縮量均在圖紙技術要求之內。對牙架腰叉柄部進行敲擊變形試驗，變形量在0.5mm內不發(fā)生斷裂。經(jīng)共滲、淬火和回火處理后，牙架的金相組織，表層為細小粒狀碳氮化合物，含氮回火馬氏體和殘留奧氏體；過渡區(qū)為含氮回火馬氏體和殘留奧氏體；心部為板條馬氏體。與原滲碳組織相比，共滲層金相組織顯著細小均勻。5.性能檢測方法及分析5.1零件外觀尺寸檢測零件外觀尺寸檢測包括形狀尺寸檢驗、表面粗糙度的檢驗和表面缺陷檢驗。按照零件要求用測量儀器測量零件的外觀各部分的尺寸（長50mm，厚2mm），檢測是否合格。再用測量儀器測量表面粗糙度（2.5），檢測是否合格。檢測零件的變形量（熱處理后牙架兩側平

21、面翹曲變形量0.1mm，叉口間平行度及脹縮量均0.1mm）。5.2力學性能檢測材料的力學性能是指材料在不同壞境下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現(xiàn)出的力學特性，通常是指材料的彈性、塑性和強度。在實際鋼材進廠的力學性能檢驗和制成鍛件后的力學性能檢驗中，總有一定批次的鋼材或鍛件出現(xiàn)力學性能不合格的情況，強度和塑性很不容易同時兼顧。有必要尋找力學性能不合格的影響因素。對于牙架零件進行力學性能檢測要在熱處理之前。5.2.1強度及塑性檢測強度是指金屬材料在靜荷作用下抵抗破壞（過量塑性變形或斷裂）的性能【9】。由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強度也

22、分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。各種強度間常有一定的聯(lián)系，使用中一般較多以抗拉強度作為最基本的強度指標。 塑性是指金屬材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形（永久變形）而不破壞的能力【9】。在熱處理前的強度和塑性通常在拉伸試驗機上通過單軸靜拉伸試驗測得，通過實驗可測定其抗拉強度（b）、屈服強度（s或0.2）、延伸率（）和斷面收縮率（）等力學性能指標。其中，b，和s可分別用來材料抵抗破壞和塑性變形的能力；和則可用來評價其塑形的大小。5.2.2沖擊韌性檢測在熱處理前的韌性一般通過在沖擊試驗機上做沖擊試驗的方法進行檢測，即測定沖擊載荷試樣被折斷而消耗的沖擊功k，單位為焦耳（J）。而用試樣缺口處

23、的截面積F去除k ，可得到材料的沖擊韌度（沖擊值）指標，即 k= k/F，其單位為kJ/m2或J/cm2。因此，沖擊韌度k表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。k值的大小表示材料的韌性好壞。一般把 k值低的材料稱為脆性材料，k值高的材料稱為韌性材料。合金結構力學性能試樣的熱處理是檢驗鋼材力學性能各項指標是否全面合格的重要一環(huán)。合金結構鋼的力學性能指標在不同的標準中或協(xié)議中都有明確的規(guī)定，對熱處理工藝規(guī)范的規(guī)定也有差異。而由于冶煉方式、冶煉爐次的不同，或品鋼的化學成分有差異。而鋼材的實際軋制尺寸不同對某些性能指標亦允許有稍許差異。此外，力學性能試樣的原始組織不完全一樣，所有這些因素必然對

24、熱處理時相的轉變以及熱處理后試樣的實際性能有所影響。根據(jù)試樣的具體情況，在標準規(guī)定的熱處理工藝規(guī)范內，選定合適的工藝，以便全面達到標準規(guī)定的力學性能指標，提高一次合格率，就必須注意以下幾個方面的問題。同種材料在不同標準中有不同的性能指標要求，相應的熱處理工藝也不會相同。對于20Cr鋼，要特別注意合金元素既改變臨界轉變速度也改變共析成分。合金鋼在淬火加熱時，要適當提高淬火溫度，適當加長保溫時間，以使試樣的晶粒既不粗大又能保證好的淬透性及較高的力學性能。5.2.3硬度檢測金屬材料抵抗硬的物體壓陷表面的能力，稱為硬度【9】。硬度值的大小不僅取決于材料的成分和顯微組織，而且還取決于測量方法和條件。由于

25、硬度測量簡便，造成的表面損傷小，可直接在零件上測定，而且硬度與其它力學性能之間存在一定的經(jīng)驗關系，因而硬度作為材料、半成品和零件的質量檢測方法，在機械制造工業(yè)中得到廣泛的應用。硬度包括洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、布氏硬度（HB）、里氏硬度(HL)、維氏硬度(HV)等，牙架零件采用洛氏硬度。洛氏硬度試驗采用了3種壓頭，6種試驗力，根據(jù)金屬材料材質、硬度范圍及尺寸的不同，共有15個標尺可供選擇，可以測試從很軟到很硬幾乎全部常見的金屬材料，應用范圍十分廣闊。洛氏硬度計在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，成為檢驗產(chǎn)品質量，是確定合理加工工藝的主要手段?？蓽y試各種黑色和有色金屬，測試淬火鋼、回火鋼、退火

26、鋼、表面硬化鋼、各種厚度的板材、硬質合金材料、粉末冶金材料、熱噴涂層的硬度。洛氏硬度試驗操作簡單，測量迅速，可在指示表上直接讀取硬度值，工作效率高，成為最常用的硬度試驗方法之一。由于試驗力較小，壓痕也小，特別是表面洛氏硬度試驗的壓痕更小，對大多數(shù)工件的使用無影響，可直接測試成品工件。因此， 此儀器非常適于在工廠使用，適于對成批加工的成品或半成品工件進行逐件檢測，該試驗方法對測量操作的要求不高，非專業(yè)人員容易掌握。工業(yè)縫紉機牙架采用洛氏（HRC）硬度檢測，表面硬度HRC55，心部硬度HRC40。5.3成分組織及檢驗在油淬情況下，隨臨界區(qū)加熱溫度提高，馬氏體含量增加，強度和沖擊功增高，斷面收縮率變化不大，延伸率降低。這主要是因為隨馬氏體含量增加，強度升高， 馬氏體對鐵素體拘束作用加強，單軸拉伸試驗時導致裂紋及早萌生，從而延伸率降低。經(jīng)一系列熱處理后，牙架的金相組織：表層為細小粒狀碳氮化合物（圖3），含氮回火馬氏體和殘留奧氏體；過渡區(qū)為含氮回火馬氏體和殘留奧氏體；心部為板條馬氏體（圖4）。 圖3 距零件表面4mm內的金相組織圖4 零件心部的金相組織5.4滲碳層深度的測定該零件表面要求有很高硬度而心部又要求有韌性的零件（硬度要求低），其熱處理工藝采用滲碳淬火回火，因此熱處理質量的好壞直接影響其使用壽命，其中尤以滲